PM2.5环境检测系统的设计与分析
摘要：
大气颗粒物污染对人类健康和生态环境造成了很大的影响，这让人们逐渐重视起对细颗粒物PM2.5检测技术的研究。本文阐述了PM2.5浓度检测的五种方法，在对上述各方法分析总结的基础上针对日常生活中PM2.5污染检测的实际需求，设计了一种PM2.5浓度检测的方案。本设计通过GP2Y1010AU0F 粉尘传感器采集周围环境空气中PM2.5的浓度值，由ADC0832模数转换芯片将传感器输出的模拟电压转信号转换成数字信号，并将数据传送给单片机STC89C52。单片机分析处理数据得到最终的检测结果，将其显示在LCD1602液晶屏上。当检测到的PM2.5浓度值大于预先设置的PM2.5浓度值时，蜂鸣器和发光二极管发出声光报警。本论文对这些功能模块进行了设计，并制作电路实现了相应的功能。通过进一步的调试与集成，实现整个系统的功能，达到检测目的。
一．研究背景及意义：
随着工业的发展，各种新产品不断被制造出来，人们的生活水平得到了很大的提高。但是这些工业产品在生产、使用过程中造成的污染却越来越严重。工厂排放的工业废气，汽车排放的尾气、燃烧产生的烟雾、还有很多化学性爆炸等都可以导致大气的污染。大气污染使得空气质量恶化，会导致阴霾天气频繁出现，这种“不见天日”的天气让人们感到深深地恐惧。从1952年伦敦的杀人雾事件再到2013年北京雾霾持续不散的现象，无不透露出大气污染已产生了巨大的危害。造成大气污染的元凶就包括本课题要研究的对象PM2.5。虽然PM2.5在地球大气成分中含量很少，但它与空气中粗大颗粒物相比，富含更多的有毒、有害物质而且在大气中的停留时间长、输送距离远，对大气环境质量影响更大。因此，对PM2.5污染的检测和治理便显得越来越重要。
我国于1982年由国家环境保护局首次发布《大气环境质量标准》，但并未规定PM2.5的安全阈值，随后在1996年、2000年和2012年进行了3次修订也没有针对PM2.5浓度限值做出修改。直到2012年2月29日，环境保护部公布了新修订的《环境空气质量标准》，才增设了细颗粒物（粒径≤2.5μm ）浓度限值。
［1］与新标准同步还实施了《环境空气质量指数（AQI ）技术规定（试行）》。PM2.5
是指环境空气中空气动力学当量小于等于2.5微米的颗粒物，也称细颗粒物、可入肺颗粒物。PM2.5被吸入人体后会进入支气管和肺腔，干扰肺部的气体交换，引发包括哮喘、支气管炎和心脑血管病等方面的疾病；这些细颗粒物还可以通过支气管和肺泡进入血液，其中的可溶性物质、有害气体、重金属等溶解在血液中，对人体健康的伤害更加大。
通过对PM2.5浓度进行检测，得到一个现实的可参考的数据，让人们能很直观地知道PM2.5污染的严重程度。为了可以得到更准确、更科学的检测结果，要对PM2.5检测技术进行研究寻求更先进的检测技术。检测环境空气的PM2.5是做好预防PM2.5污染的第一步，也是为实施大气污染治理提供准确的技术数据的关键所在。对PM2.5进行科学、准确地检测，可以增强对大气PM2.5的预测预警，将研究成果应用到各地，可以提高政府对公共事件指挥应急水平，降低对市民健康的潜在危害，减少经济损失，促进社会稳定和谐，产生社会、经济和生态效应等。
国内外研究现状：
对于PM2.5的检测，国内国外都拥有多种成熟的检测技术，包括地面PM2.5检测技术、基于卫星遥感技术的气溶胶光学厚度结合空间聚类分析预测PM2.5的浓度等［2］。目前，在地面检测空气中PM2.5浓度常用的技术主要有5种，分别是重量法，压电晶体法，光散射法，β射线法，微量振荡天平法。
经过第一阶段的比对测试工作，中国环境检测总站开展的比对测试已取得一定成果，并提出可满足我国自动检测需要的PM2.5检测方法及其采用的相关仪器的关键技术指标要求。所提的三种PM2.5自动检测方法为：微量振荡天平仪器加膜动态测量系统（TEOM+FDMS）、β射线方法仪器加动态加热系统（β+DHS）、β射线方法仪器加动态加热系统联用光散射法（β+DHS+光散射）。美国热电公司的TEOM1405F 、TEOM1405检测设备就是基于微量振荡天平技术开发的；河北先河环保公司的XHPM-2000E 监测仪、武汉天虹公司的TH2000TM 监测仪是利用β射线法原理对PM2.5进行检测的；美国热电的5030-SHARP 检测仪同时利用了β射线法和光散射法原理。
目前按照重量法设计的采样设备也比较多，如中国生产的TH —150型智能中流量颗粒物采样器、四通道PM2.5采样器（PR2300）、美国URG 公司生产的通用型大气污染物采样仪（URG —3000k ）、德国GRIMM 分析仪等。这些采样仪器利用PTFE 膜或PTEE 滤膜对PM2.5进行采样，再采用称重的方法计算颗粒物质量浓度。
此外人们还设计了基于光散射法的粉尘传感器来检测PM2.5浓度。空气中的粉尘在暗室内受到激光发生器发出的平行光照射时，粉尘的散射光强度正比于质量浓度，该散射光经过光电转换器转换成光电流，经主控板的光电流积分电路转换成与散射光强度成正比的光电脉冲数。计算脉冲数即可测出粉尘的相对质量浓度。如夏普灰尘传感器二代GP2Y1050AU ，美国GE 粉尘传感器SM-PWM-01A ，SDC 智能灰尘控制器等。
基于逆压电效应的QCM 质量传感器也是人们研究的重点。QCM 传感器利用石英晶体作为敏感元件，其表面的敏感薄膜吸附空气中的颗粒物，石英晶体的固有频率随吸附颗粒物质量的变化而变化。对石英晶体施加交变电压，石英晶体产生振动，当振荡电路的频率与石英晶体的振动频率一致时产生共振，测量此时振荡电路的频率就可得到空气中粉尘的质量浓度。
在实际应用中，由于气候条件、环境特征、污染源特点等的差异，国外能正常使用的仪器设备，在国内进行检测时却存在检测数据不稳定或偏差较大的问题，如何改进进口设备的性能，或者降低甚至消除对进口设备的依赖是当前我国粉尘污染检测所面临的问题。我国针对PM2.5的检测仍处于起步阶段，需要继续开展大量的基础工作，研制出符合我国国情的检测技术和设备，促进建立完备的PM2.5检测体系。
研究的主要内容
通过查找关于PM2.5检测有关的资料，分析对PM2.5浓度进行检测的技术。如重量法、压电晶体法、光散射法、β射线法、微量振荡天平法。分析每种方法的原理和特点，并评价每种方法的优缺点。此外还介绍了可以实现对PM2.5浓度进行检测的粉尘传感器。
针对日常生活中对PM2.5污染检测的实际需求，利用PM2.5检测传感器和单片机最小系统设计一种PM2.5浓度检测系统。
系统功能应包括：
（1）采集PM2.5浓度；（2）模拟电压转换成数字信号；
（3）单片机处理数据；（4）显示检测结果；（5）设定报警浓度限值。
系统要用到的硬件应包括：（1）系统控制核心单片机；（2）采集装置粉尘传感器；（3）模数转换芯片；(4)液晶显示屏；（5）声光报警装置蜂鸣器和发光二极管。
本章主要介绍了本设计的研究背景、意义、现状和研究的主要内容。简单来说就是人们正面对着PM2.5造成的污染，迫切需要先进、可靠的检测技术对PM2.5进行检测，本设计就是讨论如何设计一种PM2.5浓度检测系统。
二．总体设计方案：
本设计要实现对PM2.5浓度的检测系统的设计。设计具体要满足对PM2.5浓度采集、对数据信号处理、对检测结果进行显示等。因此，先要选择合适的检测方法，再选择合适的采集装置、A/D转换芯片、单片机、显示器等。分析现有的对PM2.5进行检测的技术，可以达到要求的有5种检测方法，具体方案如下：
方案一：重量法
重量法是国家标准分析方法。这种方法的原理是用一定切割特征的采样器（切割器是根据气流中颗粒是沿流线偏转还是被挡板阻挡来分离不同粒径的装置）抽取定量体积的空气，把空气中的PM2.5截留在滤膜上，再用天平进行滤膜称重，得到采样前后滤膜的质量，就可计算出PM2.5的浓度。这种方法的优点在于测量直接、数据可靠，还能够用来对其他方法测量得到的结果的准确性进行验证。缺点是人工工作量大，自动化程度低，不适合进行远距离检测，不能反映PM2.5质量浓度在短时间内的变化。国产的TH —150系列智能中流量颗粒物采样器就是基于重量法设计而成的［5］。
方案二：微量振荡天平法
微量振荡天平法主要是利用锥形原件微量天平原理。锥形原件粗头固定，细头装可以更换的滤膜，采样气体通过锥形原件（粗头进，细头出），PM2.5被截留在滤膜上，锥形原件质量的变化引起振荡频率的改变。测出前后两个不同时刻的振荡频率，就能计算出PM2.5的质量浓度。微量振荡天平技术与重量法有良好的一致性，还可以实现实时在线检测，但采样滤膜易受空气湿度影响。我国具有PM2.5自动检测能力的城市有60%以上使用基于微量振荡天平法的检测设备，美国生产的TEOM1405系列颗粒物监测仪就是运用微量振荡天平技术制备的［6］。
方案三：β射线吸收法
β射线吸收法利用了β射线衰减原理。空气由采样器吸入采样管，经过滤膜后排出，PM2.5沉淀在滤膜上，当β射线照射沉积了PM2.5的滤膜时，β射线的能量衰减，根据衰减量就可求出PM2.5质量浓度。β射线吸收法的优点是检测结果不受细颗粒物物理、化学性质影响，只与其电子密度有关，测量结果较为准确，可以实时检测PM2.5浓度的变化情况。该法的缺点是滤膜与细颗粒物易吸附空气中的水分，容易对检测结果造成影响。我国具有PM2.5自动检测能力的城市有30%左右使用的设备是采用β射线吸收法制备的，美国METON 的BAM1020粒子检测器就是采用了β射线吸收法原理对粒子进行检测［7］。
方案四：压电晶体法
压电晶体法检测PM2.5利用的是压电晶体的逆压电效应［8］。该技术采用石英晶体作为测量敏感元件，石英晶体表面的敏感薄膜吸附空气中的PM2.5，石英晶体的固有频率随吸附质量的变化而变化。对石英晶体施加交变电压，石英晶体产生振动，当振荡电路的振动频率与石英晶体的振动频率一致时产生共振，测量此时振荡电路的振动频率就可得到石英晶体的振荡频率，进而可求得PM2.5的浓度。压电晶体法可实现实时在线检测，测量结果也较为准确，但因石英晶体对质量变化较为敏感，因此需保持良好的清洁来减少测量出现的误差。QCM 质量型传感器就是采用压电晶体法来实现对粉尘浓度的检测。
方案五：光散射法
光散射法检测PM2.5浓度利用了细颗粒物的相关性质和Mie 散射理论。当光照射到悬浮在空气中的细颗粒物上时，会产生散射光。在细颗粒物性质保持一定的前提下，产生的散射光强度与细颗粒物的质量浓度成正比。通过光电倍增管将颗粒物的散射光转换成光电流，再经光电流积分电路将光电流转换成电脉冲，通
［9］过测量单位时间的脉冲数，就可以计算得到PM2.5的浓度。光散射法测量PM2.5
质量浓度具有测量快速、准确，检测灵敏度高，性能稳定等优点。但测量结果易受细颗粒物粒径组成、结构、折射性等因素影响。夏普粉尘传感器二代GP2Y1010AU 就是采用光射法原理制备而成的。
通过对以上方案进行比较可以得出：重量法适合对各种方法检测结果的准确性进行验证，若作为检测系统的采集装置会显得很笨重；微量振荡天平技术和β射线吸收法适合用在自动检测中，它们为达到高精度、高准确性，需要加载膜动态系统，本设计达不到这样的技术要求，故而不选用；用压电晶体法来检测，此法的检测精度较高，但基于压电晶体法的QCM 质量型传感器造价高，不适合作为日常检测的设备；光散射法检测可以做到快速、准确，而且设备性能较稳定，此外基于光散射的各种传感器价格都比较实惠，基于以上的考虑，本次设计选择方案五的光散射法检测技术，在此基础上来选择合适的采集装置。
本设计总体方案设计思路是采用单片机和传感器技术相结合来实现对PM2.5浓度的检测。具体设计是由粉尘传感器实时采集PM2.5浓度值，通过AD 转换器将传感器输出的模拟电压转换成数字信号，并传送给单片机进行数据处理，检测结果将显示在液晶屏上。当检测到的PM2.5浓度值大于设置的浓度限值时，发光二极管会亮同时蜂鸣器发出声响。PM2.5的浓度报警值可以通过按键进行设置。
系统总体结构图如下：
PM2.5环境检测系统用例图：
PM2.5环境检测系统总ER图：
PM2.5环境检测系统活动图：
依赖关系图：
PM2.5环境检测系统类图：
PM2.5环境检测系统分解图：
主控制器
本设计需要对传感器、显示器、报警器等进行控制，让它们发挥各自的功能，STC89C52单片机是一个功能很强的8位微处理器，可以满足此要求。另外本设计预计要使用23个（不计复用）单片机引脚，STC89C52具有40个引脚也是可以满足需要的。STC89C52内部程序空间多达8K ，对于本设计而言也算是绰绰有余了，同时STC89C52单片机价格非常低廉，用于日常应用非常合适。不管从功能、价格还是使用的难易程度来说STC89C52都是合适的选择。因此，本设计采用单片机STC89C52作为整个系统的核心。
采集装置
本设计需要用采集装置来对周围环境中的PM2.5浓度进行采集，采集装置的工作状态要受单片机的控制，另外采集装置的工作电压最好与电源电压、单片机工作电压相一致，性能上还要具有采集快速，准确的特点。GP2Y1010AU0F 粉尘传感器可以完成对PM2.5的采集和输出模拟电压信号，其最优工作电压为5V ，与电源电压一致。它采集周期不到0.01ms ，检测结果也较为准确，另外它还具有分辨烟雾和灰尘的功能［10］。因此，选用GP2Y1010AU0F 传感器为本设计的PM2.5采集装置。
显示器
本设计准备显示测量的实时数据，同时还需要设定PM2.5的报警阈值，因此要选用能显示两行内容的显示器，第一行显示检测到的PM2.5浓度值包括“PM2.5、具体数值、单位μg/m3”，第二行要显示预设定的PM2.5浓度报警限值，显示具体内容与第一行相仿。液晶LCD 可以显示数字、字母、符号等，满足本设计要显示的内容。另外LCD 还具有功耗小、体积小、使用方便，显示快速，而且不需要外加驱动电路的特点等，可以使本设计系统的电路和程序的设计简单化。LCD1602液显能同时显示16x2即32个字符，可以提供清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示
移位等多种控制命令，很适合作本次设计的显示器。因此，本设计采用液晶LCD1602进行显示。
模数转换芯片
本设计需要转换传感器输出的0-5V 的模拟电压，ADC0832为8位分辨率的A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，当输入信号最大值为5V 时，此AD 可以区分的信号的最小电压为0.01953V ，能满足对本次设计模拟电压转换要求。另外ADC0832转换时间仅为32us ，转换速度快且稳定，而且本次设计对转换时间的要求并不是很严格。此外ADC0832具有独立的芯片使能输入，使得处理器控制起来很方便。因此，本设计选择ADC0832模数转换芯片来对传感器输出的模拟电压信号进行转换。
电源
本设计采用的单片机、传感器、A/D转换芯片、显示器等都是在5V 电压下正常工作，所以本设计采用输出电压为5V 的USB 数据线供电， USB供电具有持续且稳定的电压输出性能，而且使用起来很方便。用5V 蓄电池供电也是可取的。
按键
本设计采用的按键并不是太多，只有1个参数增加按键和1个参数减少按键，不会占用太多的I/O口，因而采用独立式按键。每个按键单独占有一根I/O接口线, 每个I/O口的工作状态互不影响。这样可以使电路设计简单、编程也相对比较容易。
报警装置
本设计报警系统由两部分组成，一是LED 灯光报警，二是蜂鸣器声音报警。
本章主要介绍了PM2.5检测系统的总体方案设计和主要的硬件选择。采用5VUSB 数据线供电；STC89C52单片机进行数据处理；GP2Y1010AU0F 传感器采集PM2.5浓度值；ADC0832芯片进行模数转换；LCD1602进行数据显示；蜂鸣器和发光二极管进行声光报警。
三．硬件电路设计（略）
四．系统软件设计
程序功能分析
本设计的系统软件设计主要包括对主程序，ADC0832转换子程序、LCD1602显示子程序和定时器0中断子程序的设计。主程序主要负责浓度的实时显示和报警装置的报警；定时器0中断子程序负责驱动传感器工作；ADC0832转换子程序负责对传感器传送过来模拟信号进行转换，转换成数字信号；LCD1602显示子程序负责显示单片机处理分析过的PM2.5浓度值。主程序调用了ADC0832转换子程序、LCD1602显示子程序、定时器0中断子程序。
系统程序设计
从系统要实现功能的角度来看，主程序的流程为：在完成各部分初始化之后，采集模拟输出电压，再根据采集到的电压值，通过拟合计算出PM2.5浓度值，显示在液晶上。拟合关系近似为y=0.5x+0.9（y 为浓度值/mg•m ，x 为模拟电压值［15］/V）。
系统主程序流程图如下
系统初始化，所有I/O口都初始化为高电平，代码如下：
P0=0xFF;
P1=0xFF;
P2=0xFF;
P3=0xFF;
本设计系统采用的定时器0中断是为了驱动粉尘传感器，定时器0中断设定工作为方式1，每次进入中断后需要不断地重新赋值。在程序设计中，需要单片机产生周期为9ms 脉宽为0.30ms 的脉冲来驱动传感器内部的LED 发光，并在0.28ms 对信号进行采集。
定时器0中断程序流程图
定时器0中断函数赋初值，中断周期100us ，代码如下：
TH0=0xFF;
TL0=0xA4;
TR0=0;
count_100us++;
ADC0832的主要作用就是把传感器输出的模拟电压信号转换为数字信号，再由单片机处理。因为传感器的采集是从传感器工作0.28ms 之后开始的，因此A/D转换也应在传感器工作0.28ms 后开始。A/D转换开始后，开始选择转换通道，在DI 端输入的两位数据为“1、1”表示选择只对CH1进行单通道转换。
A/D转换程序流程图
ADC0832转换通道选择通道一，代码如下：
Clk = 0;
DATI = 1;
_nop_();
Clk = 1;
_nop_();
Clk = 0;
DATI = 1;
_nop_();
Clk = 1;
_nop_();
液晶LCD1602显示首先自定义字符库，设置好DDRAM 地址后在第一行显示，根据程序中的数据设置显示数据的首地址并设置循环量，在循环过程中不断取字符代码直至终止，第二行的显示过程与第一行的显示过程一样，两行显示完毕便结束子程序。
液晶显示程序流程图
本章小结
本章主要介绍了检测系统的主程序及主要子程序的设计，分别画出了它们的流程图。程序的编写是根据系统所要实现的功能和所选择硬件来编写的，是整个检测系统的灵魂所在。
五．安装与调试
程序调试
本次设计检测系统的控制程序是采用C 语言编写的，对程序的调试是通过keil C51软件进行的。每次编写完程序，都要从头运行一次，若是出现错误，软件系统会发出警示并显示错误出现的地方。根据箭头的提示，在对应的地方找出错误，改正后继续运行。重复这个步骤直到编译器不提示程序还存在错误或者警示。把设计好的程序烧入液晶显示程序，看显示器是否正常显示。如果不正常，检测LCD1602液晶的各引脚的焊接情况，有没有虚焊，短焊，错焊的情况。显示正常之后，再加入粉尘检测程序，看粉尘检测是否正常。最后加入按键进行整机调试。
本章小结
系统的调试是设计过程中很重要的一环，不管是程序的编写还是硬件的安装，只有不断发现问题，解决问题才能完善系统，做出合格的检测系统。
六．结论与展望
结论
本次设计完成了设计之初的所有要求，所设计的检测系统简单实用，适合大众对PM2.5浓度检测的需要。最终完成的装置所使用的材料价格低廉，检测装置简单便携，操作精度较高，还具有浓度限值可调节的优点。本设计是通过单片机与传感器技术相结合实现了对PM2.5浓度的检测。此次设计用单片机STC89C52作为控制中心，传感器GP2Yl010AU0F 采集的颗粒物浓度，转换芯片ADC0832进行模数转换，液晶LCD1602进行结果显示，发光二极管和蜂鸣进行声光报警，按键设定报警浓度最大限值。通过这次设计将单片机与传感器技术应用在检测环境的质量上，提醒人们做出相应的安全防护措施，改善当前环境状况，是一件非常有意义的事。
通过本次设计我自身的能力也得到了很大的提高，学到了不少课本上没有的知识，同时也锻炼了自己的动手能力，将以前学过的零散的知识串到一起，完成了理论与实践的结合。本次设计主要涉及硬件和软件两方面的内容，经过不懈努力，我对51系单片机的接口知识有了更深层次的理解，熟悉了单片机常用的外围电路引脚和连接方法，如液晶、按键、传感器等。总之本次设计让我学会了分析问题解决问题的能力，加深了对所学理论知识的理解和运用。
展望
本次设计只完成了针对日常生活中对PM2.5检测需要的检测系统，仅仅实现了超过安全浓度值就会报警的功能，功能比较单调。一款成熟的PM2.5检测装置应该具有更多的功能，不仅可以检测PM2.5还可以检测PM10，甚至可以外带实现对温度湿度的检测；另外也不能只有报警这样简答的功能，如果检测到超过浓度限值会联网打开空气净化器的开关，进行空气的净化，在不知不觉之间就给人们省了不少精力。
PM2.5检测技术还在不断发展，未来将会有更科学更精确的检测系统被设计出来。未来的PM2.5检测装置会朝着精度高、易操作、体积小、易携带、价格低、功能更加完备、普及率更加高的方向发展。
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